Tín Hiệu Số Và Tương Tự - Analog/Digital

Tín hiệu là gì?

Tín hiệu ở đây là tín hiệu điện (tránh nhầm với tín hiệu giao thông), là sự thay đổi theo thời gian của điện thế (Volt) hoặc cường độ (Ampe) của dòng diện.

Cũng là dòng diện nhưng dòng điện một chiều qua bóng đèn không phải là tín hiệu vì nó không thay đổi theo thời gian. Một số ví dụ về tín hiệu điện: Tín hiệu âm thanh đi qua dây loa, tín hiệu clock trong mạch RC, ...

Như hình trên ta thấy nó tương tự như cái máy morse đơn giản (Project 1 - Morse Code Translator).

Nếu ta nhấn công tắc tại điểm A, điện thế là 5v, giữ được 1 giây ta nhả ra: điểm A không có điện thế. Ta thấy tại điểm A có sự thay đổi điện thế, hay điểm A có tín hiệu điện.

Xung điện

Trong xử lý tín hiệu số, xung là sự thay đổi đột ngột về biên độ, pha hoặc tần số, ... (thường là biên độ) từ giá trị gốc lên giá trị cao, hoặc xuống giá trị thấp hơn, sau đó chuyển dần (thậm chí ngay lập tức) về giá trị gốc ban đầu. Khi làm việc với động cơ, hay thiết bị khác sẽ bắt gặp hiện tượng hoặc khái niệm này.

Sau khi đã giới thiệu sơ về khái niệm cơ bản, chúng ta bắt đầu đi sâu vào 2 loại tín hiệu số và tương tự.

Tín hiệu số (Digital)

Khái niệm

Đây là tìn hiệu rời rạc theo biên độ. Vì trong một thời điểm nó chỉ có một trong hai giá trị là 0 hoặc 1 (ứng với 0V hoặc 5V) được biểu diễn như hình dưới.

Trong cuộc sống, ví dụ về tín hiệu số có thể thấy là máy truyền mã morse, tín hiệu trong dây mạng, USB, ...

Công dụng và cách cài đặt

Với Arduino, tín hiệu làm bóng đèn chớp tắt là tín hiệu số (rời rạc theo biên độ, liên tục về thời gian), hay tín hiệu từ nút nhấn (rời rạc theo biên độ lẫn thời gian) ...

Nếu muốn truyền dữ liệu dưới dạng {0, 1} thì dùng tín hiệu số.

Ví dụ mẫu [1]: Chớp tắt led

int ledPin = 13;      // select the pin for the LED

void setup() {
  // declare the ledPin as an OUTPUT:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // turn the ledPin on
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  // stop the program for 1000 milliseconds:
  delay(1000);
  // turn the ledPin off:
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  // stop the program for for 1000 milliseconds:
  delay(1000);
}

Các hàm trong Arduino về xử lý tín hiệu số sẽ có tiền tố digital. Ví dụ hàm digitalWrite sẽ thiết lập giá trị đầu ra của pin 13 (0 - 0v hay 1 - 5v). Khi hàm loop() thực hiện xong thì pin 13 cho ra một xung vuông.

Tín hiệu tương tự

Khái niệm

Đây là tín hiệu liên tục theo thời gian, biên độ, pha hoặc tần số dòng điện thay đổi liên tục theo thời gian.

Ở hình trên ta thấy điện thế thay đổi theo đồ thị hình sin không phải rời rạc như tín hiệu số. Trong đời sống, tín hiệu tương tự khá nhiều như sóng âm thanh, sóng ánh sáng, xung não, ... sự thay đổi của nhiệt độ, đổ ẩm, vận tốc cũng tạo ra đồ thị dạng sin.

Công dụng và cách cài đặt

Khi muốn đo nhiệt độ, vận tốc, độ sáng ... không thể dùng tín hiệu số được, nhiệt độ không chính xác có 0^oC hay 1^oC, lúc này tín hiệu tương tự là cần thiết.

Như đã đề cập ở trên, sự thay đổi của nhiệt độ tạo ra đồ thị dạng sin, xem nhiệt độ là một tín hiệu analog. Đối với đo nhiệt độ không thể làm việc với mức điện áp từ -30v (ứng với -30^oC) đến 100v (ứng với 100^oC) do đó cần dung kỹ thuật chuẩn hóa về ngưỡng 0v - 5v, vậy nhiệt độ biến thiên sẽ làm điện áp biến thiên trong khoảng 0v - 5v.

Đối với một thiết bị số, tín hiệu tương tự sẽ không dễ dàng làm việc được, trường hợp Arduino đã tích hợp bộ chuyển đổi ADC (Analog - Digital Converter) và DAC (Digital - Analog Converter), cho phép các làm việc với tín hiệu tương tự bằng cách chuyển về tín hiệu số và ngược lại.

Ví dụ mẫu [2]: Thời gian nháy đèn thay đổi theo độ sáng.

int sensorPin = A0;    // select the input pin for the potentiometer
int ledPin = 13;       // select the pin for the LED
int sensorValue = 0;   // variable to store the value coming from the sensor

void setup() {
  // declare the ledPin as an OUTPUT:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // read the value from the sensor:
  sensorValue = analogRead(sensorPin);
  // turn the ledPin on
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  // stop the program for <sensorValue> milliseconds:
  delay(sensorValue);
  // turn the ledPin off:
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  // stop the program for for <sensorValue> milliseconds:
  delay(sensorValue);
}

Cũng giống với code ở trên, thêm dòng: sensorValue = analogRead(sensorPin);

Đồng thời sửa delay(1000); thành delay(sensorValue);

Các hàm trong arduino về xử lý tín hiệu tương tự sẽ có tiền tố analog trước mỗi hàm.

Vì điện trở của photodiod thay đổi theo độ sáng, có thể xem là tín hiệu tương tự. Vì sao phải mắc như vậy mà không cho vào (VCC - photodiod - A1), bởi vì mắc nối tiếp như vậy sẽ khó tính được sự biến thiên điện thế ở chân A0. Chia áp giúp tính toán được điện áp đầu vào A0 dễ hơn.

Có thể áp dụng analog vào nhiều ứng dụng như dò đương (trong robot, mặc dù dùng tín hiệu digital tiện hơn), làm hiệu ứng đèn chớp (sáng từ từ).

So sánh tín hiệu Digital và Analog

Download code mẫu

Download code mẫu của bài viết https://www.bugs.vn/io/iy5g1B1 hoặc sao chép bên dưới:

Chớp tắt LED

int ledPin = 13;      // select the pin for the LED
 
void setup() {
  // declare the ledPin as an OUTPUT:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
 
void loop() {
  // turn the ledPin on
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  // stop the program for 1000 milliseconds:
  delay(1000);
  // turn the ledPin off:
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  // stop the program for for 1000 milliseconds:
  delay(1000);
}

Thời gian nháy đèn thay đổi theo độ sáng

int sensorPin = A0;    // select the input pin for the potentiometer
int ledPin = 13;      // select the pin for the LED
int sensorValue = 0;  // variable to store the value coming from the sensor
 
void setup() {
  // declare the ledPin as an OUTPUT:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
 
void loop() {
  // read the value from the sensor:
  sensorValue = analogRead(sensorPin);
  // turn the ledPin on
  digitalWrite(ledPin, HIGH);
  // stop the program for  milliseconds:
  delay(sensorValue);
  // turn the ledPin off:
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  // stop the program for for  milliseconds:
  delay(sensorValue);
}

Tham khảo

1. https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Blink
2. https://www.arduino.cc/en/Tutorial/AnalogInput